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基于“类壤土”基质的矿山生态环境综合治理技术-全国矿山生态修复创新技术

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基于“类壤土”基质的矿山生态环境综合治理技术-全国矿山生态修复创新技术

【概要描述】

基于“类壤土”基质的矿山生态环境综合治理技术-全国矿山生态修复创新技术

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转自:矿山修复网https://mp.weixin.qq.com/s/T7ZM912K-DDiym7Uii0WdA

基于“类壤土”基质的矿山生态环境综合治理技术

 

张波1

(1.新葡亰88805ntt, 江苏 苏州 215600)

摘要:“基于‘类壤土’基质的矿山生态环境综合治理技术”秉持“以自然的方式恢复自然”的理念,在裸露岩石表面重塑土层结构,为植物生长提供了有利的立地条件,克服了岩质边坡固土难、植被覆盖率低、治理效果难以持久的难题。植物种子在表层发芽生长,初期根系伸入底基层,后期根系伸入岩体裂隙或凸凹处,植物持续生长,实现种子在岩石上长成大树,且无需人工管理,与周边自然山貌相似度90%以上。实现新增碳汇,增强水土保持能力、改善气候、提高生物多样性。在“山水林田湖草沙”生态恢复领域内广泛实施并取得了示范性效果,尤其适用于岩质或土质等边坡及高陡边坡,包括露天金属矿山、露天非金属矿山等。已列入国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、自然资源部组织编制的《绿色技术推广目录(2020年)》。

关键词:类壤土(similoam);矿山环境;生态恢复;重塑土层结构;生物多样性

中图分类号: X 171.4     文献标志码:A         

 

0、引言

新中国成立以来矿业发展迅猛。目前已开发利用的矿种达到162种。国有矿山己达一万余个。现有涉及露天开采主要城市300多座,各类矿业企业18.2万个[1]。各类矿山企业10.9万家,主要分布于内蒙古、山西、江西、贵州、河南、安徽、湖北、湖南、福建、甘肃、云南、广西、广东、河北、黑龙江等省市,覆盖全国各个地区。矿山遗留的废弃地产生了非常多的生态问题,如水土流失,废水扬尘等随雨水、大风等侵入附近农田甚至生活区域,另外还有地质隐患,若不加以治理,有可能导致泥石流、崩塌等地质灾害,威胁附近居民安全。基于此,对矿山废弃地进行生态治理迫在眉睫。

根据中国地质调查局以市、县为单元的全国矿山地质环境调查数据统计,截至2018年,我国共有各类废弃矿山约99000座,其中露天开采的废弃矿山共有80600座。自2000年以来,中央财政投入矿山地质环境治理专项资金,重点针对废弃无主矿山、矿产资源枯竭型城市、矿产资源集中连片开采区开展矿山环境治理和生态修复工作。截止2015年,累计投入资金约318亿元,完成矿山环境治理与生态修复面积约2.0×105公顷,其中治理修复矿山数量1773个[2]。根据自然资源部发布的《中国矿产资源报告2020》显示,2019年全国新增矿山恢复治理面积约4.8万公顷。其中,在建和生产矿山新增恢复治理面积约1.92万公顷,占40.05% ;废弃矿山新增恢复治理面积约2.88万公顷,占59.95%[3]。全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)规划中共布局了九个区域的重要生态系统保护和修复重大工程[4],其中涉及矿山修复的有五大区域。因此露天开采的废弃矿山待治理体量非常大。

1、矿山生态环境恢复的难点

矿山的生态恢复工作的开展,主要面临着几个难点。首先,矿山开采后基岩裸露在外,尤其是高陡的边坡,长时间风化形成了岩质碎石坡面,固土困难,不能给植物生长提供良好的立地条件。其次,苗木成活率低,治理后易形成单一的草本群落,不能恢复山体的植被多样性。植被群落单一将增加病虫害感染几率,增加了管护的成本。最后,因各地气候环境不同,南方多雨,常有灾害性风雨袭击,降雨量大,容易引起山洪暴发;北方干旱,土壤水分蒸发量大,水土保持差;导致植被不能长期稳定的生长,植被恢复能力差。

针对上述难点,张波(教高)带领技术团队秉持“以自然的方式恢复自然”的生态理念,经过十余年的技术攻关,在研究岩土工程学、水土保持学、工程学、土壤学、植物学、生态学、仿真学、地质学、力学、大气科学、环境科学等相关学科的基础上,创新性提出“类壤土(similoam)”理论并研发出系列修复技术,将该理论与技术方法应用到工程实践中。截至目前,已基本形成一套具有开创性、先进性、成本低、效果显著、适用范围广的矿山边坡生态重建理论及工艺技术体系,实现了生态修复领域理论与技术的重大突破。

2、类壤土基质技术特点

“类壤土(similoam)”是指在岩石表面快速模拟出适合植物生长的类似自然界壤土的一种结构。重塑了全风化层(腐殖质层)和强风化层(淋溶层),该结构由50%的固态、50%的液态和气态组成,含有丰富的有机质、矿物质和微生物等,具备壤土的主要物化性能,为高陡边坡上植物生长提供了有利的立地条件。

基于“类壤土”基质技术的矿山生态环境综合治理技术的核心是结合多学科,通过仿生技术快速模拟出自然界中更加适合植物生长的土壤腐殖质层和淋溶层,树种在岩石上长出大树。18年来,北南,从黑龙江省到海南省,东西,从山东威海到甘肃兰州,在不同地区数百个项目实施,形成多套先进高效的新技术新工艺和方法,实现恢复原山貌,无需人工管理、植被自然生长,与周边相似度达90%以上。树木种子在岩石上长出大树,净化了空气,新增了碳汇。

该原创技术秉承“以自然的方式恢复自然”的治理理念,根据当地气象、地质、植物数据信息,试验模拟当地的环境,土壤、植物采样试验,通过实验数据选出化学性质、物理特性最优的植物生长基质(类壤土—土植质),配比最优的植物种子比例。最终,通过仿生技术快速模拟出自然界中更加适合植物生长的高性能“类壤土(similoam)”基质结构,该结构物化性能稳定,富含丰富的腐殖质、矿物质、空气、水、有机物等物质,结合本地土壤中的微生物等,以固、气和液三相的形式互相联系、互相制约,为需治理边坡生态环境恢复提供最有利的立地条件,具有无需管理、保持水土、减弱侵蚀、防治污染、生物防护、促进植物群落自然演替、新增碳汇,以达到永久性复绿的良性功能。

图1 类壤土基质技术示意图

Fig. 1 Similoam substrate Technical Schematic

以“类壤土(similoam)”为核心的矿山生态治理技术体系,改善传统的喷播技术的设计、施工工艺,实现了“以自然的方式恢复自然”,构建完整的生态系统群落,达到较好实现矿山生态环境恢复治理的目的。该技术能够克服传统喷播技术的工艺缺点,有效地抗击雨水冲刷,适用于更高更陡峭(≤73°)的岩质(土质)边坡的生态复绿工作,填补了当前的技术空白。

3、适用范围

1)在露天矿山边坡的应用

适用于岩质或土质等边坡及高陡边坡,包括露天金属矿山、露天非金属矿山等。该技术在我国五大气候带、八大植被带地区露天矿山边坡均适用。

2)其他生态治理领域

该技术适用于“山水林田湖草沙”生态保护修复工程,也适用于公路铁路工程形成边坡的治理修复问题、以及河道边坡生态环境恢复与治理,美丽乡村、景观绿化提升工程等。

4、技术优势

4.1 破损岩面壤土两层结构重塑技术

矿山开采后,岩石裸露破坏原有的土壤层次结构,土壤层、母质层,同时混合部分外来土壤,形成扰动土壤。土壤营养成分缺乏,结构性差,保水性能差,不具备植物生长所需的土壤基质基础和环境,如果不对扰动土壤进行改良,那么植物就难以成活。目前的硬性岩质的人工覆绿手段分为工程学和栽培学,忽视对岩石物化性质分析与生态基质再造的双重结合。

 

类壤土基质技术针对不同岩性边坡进行勘察、采样测量、计算分析,采用适当的施工工艺,并应用物理和生态措施,重建土壤剖面,形成双层土壤结构,分别是“类壤土(similoam)”基质底基层(模拟淋溶层)和“类壤土(similoam)”基质表层(模拟腐殖质层)。在较短的时间内改善土壤的内部结构和环境质量,重塑因不同岩石特性无法生长的双层基质,恢复和提高土壤的质量水平,为植物在裸露岩石上生长创造扎根条件。经实验比较类壤土基质技术比传统技术抗冲刷能力提高30%,实际在江苏江阴市云亭绮山项目地应用,经历暴雨138mm降雨量后,坡面水土保持良好。

图2 重塑土层结构图

Fig. 2  Reshape the soil structure diagram

4.2 绿色锚固与水土防护融合技术

木本植物根系营造绿色锚杆的锚固技术作用:通过采用无污染的材料及环保工艺,两层土层结构紧贴在岩面上,结合优选的发达的木本植物根系像锚杆一样扎入岩(土)中,起到水土保持、抗冲刷的作用,解决边坡破损岩面固土难的问题。

木本植物根系自身具有良好的绿色锚杆作用。合理利用木本植物根系在高陡边坡上发挥锚固抗冲刷作用。根据岩体结构类型,定向选择种子库中垂直根系和侧根系发达的物种。通过底基层基质的“类壤土(similoam)”基质加速深根系植物根系的生长,促进乔灌木发芽、生长。根系生长健壮后,增强了植被根系-基质-岩面的黏结力,可以通过根系、根土接触面与土体三者间的共同作用,约束土体的变形,提高土体抗拉、抗剪强度,从而使根土复合体的抵抗滑动的能力明显增强。

分为垂直根系和水平匍匐根系,垂直根系锚固在岩体中,起到把荷载和应力传递到稳定地层,同时根系吸取岩体的养分和水分;水平匍匐侧根系,在岩石表面盘综错节,织成庞大的网,箍束围土介质,把荷载和应力传递到垂直根系或凹凸支撑点,同时吸水并强力水土保持。植物根系形成网状结构,箍束了围土介质,伸入岩体中(包括无裂隙的岩面上,根系的吸附作用以坡面凹凸点为持力点),促进了边坡新建的土层结构的稳定。

江苏省无锡市锡山区东胶山    江苏张家港市香山风景区

关闭矿山综合整治项目          上山道路边坡治理项目

Dongjiaoshan, Xishan District, Wuxi City, Jiangsu Province Closing down comprehensive mine remediation projects (Left)

Xiangshan Scenic Area, Zhangjiagang City, Jiangsu Uphill road slope treatment project (Right)

图3 根系图

Fig. 3  root diagram

4.3 土层结构增厚

1)表层(模拟腐殖质层或全风化层)滞尘作用:风带着灰尘经过林木时,滞留在枝叶的灰尘掉落在坡面,增加了壤土层厚度。

2)枯枝落叶:随着枯枝落叶和动物粪便的积淀、分解,形成了天然的有机层,持续供给植物生长的营养所需。造成表层增厚。

3)根系生长:垂直根系和匍匐侧根系,在岩石表面盘综错节,织成庞大的网锚入岩土中,箍束围土介质,促进底基层增厚。表层与底基层壤土结构的增厚,一般每年增长3%-6%(以治理后原两层结构的总厚度为参照标准)。

4.4 植物群落多样性原貌重建技术

优异的基材配制和乡土植物种子比例,快速重建生态多样性。将乔木、灌木、草本种子的配比控制在最适宜的区间,均匀拌制3min。提高了植被覆盖率、返青率,三年后的植被覆盖度可达90%以上,实现了生物种类与邻近自然景观一致。构建合理的群落结构,关键技术在于控制合理的乔灌木的比例,识别优势种,配置促进优势种成长的基质,同时关注植物的种间关系,合理搭配营造出稳定性高、演替更新能力强的群落结构,最终促进植物自然演替进程。

经过已实施的35个项目上的监测,南方约2.5年演替成乔灌木优势群落,北方约3年演替成乔灌木优势群落。

治理前

 

Before the governance

治理10年后

 

After 10 years of governance

治理11年后

 

After 11 years of governance

破损山体坡面治理后

After the treatment of damaged mountain slope

项目成果监测

Project outcome monitoring

图5 江苏省无锡市舜柯山勤新关闭矿山地质环境生态综合治理工程(财政部、国土资源部示范项目)治理前后照片

Fig. 5  Shunkeshan Qinxin in Wuxi City, Jiangsu Province closed the mine geological environment ecological comprehensive management project

(Ministry of Finance, Ministry of Land and Resources Demonstration Project) Photos before and after treatment

4.5 边坡植被群落免养护技术

树木种子在表层结构中发芽、生长,其根系进入底基层结构,最终锚入岩体中,传递荷载和应力,汲取养分,自然生长。类壤土基质技术在岩面营造种子生长层和根系生长层,两层结构配置不同的营养成分提供植物发芽生长所必须的水分、养分、土壤等条件,使植物能够快速生根生长。优质的表层和底基层保水保肥,不但利于植物生长,也利于动物和微生物的存在,随着枯枝落叶和动物粪便的积淀、分解,形成了天然的有机层,持续供给植物生长的营养所需。风带着灰尘经过林木时,滞留在枝叶的灰尘掉落在坡面,增加了壤土层厚度。实现北方一年半,南方一年免养护,之后养护成本为0。本技术节约削坡和养护的费用,达到同等治理效果可比传统技术节约成本30%以上。

5、典型应用案例

5.1 锡山区安镇镇东胶山山体复绿工程(财政部、国土资源部示范项目,被无锡市人民政府表彰为“优质工程”)

 

项目介绍:位于无锡市锡山区境内,原山体破损严重,山体岩面不稳定,存在地质灾害隐患。工程于2008年竣工,治理后山体恢复了原山貌,优化了周边环境。释放可用于生态休闲、郊野公园等;增加了安镇地区人均公共绿地指标。目前治理区已经成为部分建设用地和生态生活园区;其中生态园区已成为无锡及周边城市居民短途旅游优选之地。

 

治理前

Before the governance

治理6个月后

 

After 6 months of governance

治理2年后

 

After 2 years of governance

治理5年后

After 5 years of governance

图6 锡山区安镇镇东胶山山体复绿工程(财政部、国土资源部示范项目)治理前后照片

Fig. 6  Photos of before and after treatment of the mountain re-greening project (model project of the Ministry of Finance and the Ministry of Land and Resources), Anzhen Town, Dongjiaoshan, Xishan District

5.2 大湾乡杨岭特色产业示范村建设项目

项目概况:该项目位于宁夏固原市泾源县,工程面积约45万平方米,该工程项目所处特殊地理环境,固原地处黄土高原温暖半干旱气候区,是典型的大陆性气候,形成冬季漫长寒冷、春季气温多变、夏季短暂凉爽、秋季降温迅速,昼夜温差大,雨量少。年平均日照时数2518.2小时,年平均气温6.1℃,无霜期152天,绝对无霜期83天。

项目治理情况:通过对大湾乡的地质勘察情况,消减地质灾害,种植了万亩花田花海,广场景观,道路景观绿化等工程。治理后经过发展,村容村貌发生了翻天覆地的变化,生态美景、田园风光和民俗风情,加上草畜、旅游两大产业,杨岭村变得越来越美、越来越富。

 

2019年2月7日人民日报的头版头条报到了宁夏泾源县杨岭村的变化,“宁夏泾源县杨岭村——荒山变绿产业兴,青砖蓝瓦新居起” ,文章写到:“江苏绿岩公司带着技术来了,在杨岭种下千亩花海和观赏性彩色牧草······”。

治理前

 

Before the governance

治理后

After the governance

图7 大湾乡杨岭特色产业示范村建设项目治理前后照片

Fig. 7 Photos of before and after the governance of the construction project of Yangling Characteristic Industry Demonstration Village in Dawan Township

 

4、结论与建议

类壤土基质技术秉持“以自然的方式恢复自然”为理念,快速模拟出更加适合植物生长的土层结构,重塑植物生长土壤层,不仅具备土壤的一般特性,而且含有更丰富的营养物质,具有良好的持水性、透气性、坡面依附性和稳定性,使其既能保水、保肥、透气、透水,适于植物生长,又能有效抵抗水蚀和风蚀,抑制水土流失。为需治理矿山的生态环境恢复提供了有利的立地条件,促进矿区破坏地构建完整的生态系统群落,较好的实现矿山生态环境恢复治理的目的。该技术有广泛的地区适应性,适用于全国各个气候带,且各种废弃矿山的边坡均可应用,具有较高的推广价值。

 

参考文献(References):

1、中华人民共和国自然资源部. 中国矿产资源报告2020年 引用日期 [2021-06-15]

[1] Ministry of Natural Resources of People’s Republic of China. China Mineral Resources Report 2020 Citation Date [2021-06-15].

2、张进德,郗富瑞. 我国废弃矿山生态修复研究[J]. 生态学报,2020,40(21):7921-7930.

[2] Zhang J D,Xi F R. Study on ecological restoration of of abandoned mines in China [J]. Acta Ecologica Sinica,2020,40(21):7921-7930.

3、中华人民共和国自然资源部. 中国矿产资源报告2020年 引用日期 [2021-06-15]

[3] Ministry of Natural Resources of People’s Republic of China. China Mineral Resources Report 2020 Citation Date [2021-06-15].

4、国家发展改革委 自然资源部  关于印发《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021-2035年)》的通知

[4] National Development and Reform Commission Ministry of Natural Resources of People’s Republic of China       Notice on the issuance of the Master Plan for Major National Projects for the Protection and Restoration of Important Ecosystems (2021-2035).

 

 

 

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